Sumber Cahaya

SUMBER CAHAYA

Sumber cahaya sebagai salah satu komponen optoelektronika merupakan perangkat yang sangat penting. Beberapa sumber yang dapat digunakan dalam sistem optoelektronika antara lain LED (Light Emitting Diode), laser (khususnya LD = Laser Diode). Sistem opto-elektronika bekerja pada rentang panjang gelombang ultra violet, cahaya tampak dan hingga infra merah dekat, sehingga sumber cahaya meradiasi photon dengan panjang gelombang dalam rentang antara λ = 0,1 µm – 20 µm. Pada bab ini dibahas tentang sumber cahaya LED dan laser secara umum, yang banyak digunakan sebagai sumber cahaya pada sistem optoelektonika dalam ukuran yang relatif lebih kecil sehingga membentuk sistem yang kompa, tetapi sebelumnya akan disinggung tentang bahan semikonduktor baik instrinsik maupun ekstrinsik serta p-n juction ( penyambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n ) sebagai dasar pembentukan LED dan laser diode.

1.    SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor merupakan bahan padat yang menpunyai sifat konduktivitas antara bahan konduktor dengan konduktivitas yang tinggi dan isolator dengan konduktivitas rendah. Konduktivitas semikonduktor bervariasi terhadap tempeatur, jumlah ketidakmurnian dalam semikon-duktor atau berubah karena menyerap energi photon dalam proses penyinaran cahaya. Gambar dibawah menunjukkan tingkat/pita energi antara bahan konduktor (logam), isolator, dan semikon-duktor.

Pada konduktor logam pita konduksi hanya terisi sebagian, seperti ditunjukkan Gambar, dan elektron dapat dengan mudah melewati energi gap, bila mendapatkan energi dari medan luar, sehingga menghasilkan konduktivitas yang tinggi. Sedangkan pada beberapa logam divalen, dua pita energi tertinggi saling tumpang tindih yang menghasilkan sifat konduktivitas yang berbeda.

Dalam isolator, pita energi konduksi tidak terisi sedangkan pita valensi terisi penuh dengan elektron . Pemisah antara pita konduksi dan pita valensi yang sangat besar dibanding dengan energi termal rata-rata suatu elektron (kT). Pada temperatur ruang, kT bernilai sekitar (1/40) eV,   dengan energi gap pada bahan isolator  ≡ 4 eV, sehingga sangat sedikit elektron yang dapat terpengaruh terhadap energi luar dan tidak menimbulkan sifat menghantar.

Bahan semikonduktor intrinsik (tanpa doping/ ketidakmurnian) kondisinya seperti pada isolator, pada temperatur ruang pita konduksi kosong sedangkan pita valensi terisi penuh dengan elektron. Bedanya pada semikondukor energi gapnya cukup kecil (sekitar 1 eV), sehingga elektorn mudah tereksitasi karena penambahan temperatur (energi) pada bahan. Konsentrasi elektron dalam pita konduksi sama dengan konsentrasi lubang (hole) dalam pita valensi.

n = p =

dengan  ≡ konsentrasi instrinsik, nilainya bervariasi secara eksponensial terhadap temperatur.

   

   Suatu bahan semikonduktor instrinsik bila setelah didoping dengan bahan semikonduk-tor lain yang memiliki jumlah elektron dalam pita valensi yang berbeda, maka terjadi dominasi antara elektron atau lubang tergantung pada dopant ( bahan untuk doping pembentuk ketidakmurnian). Bila jumlah elektron pembawa lebih banyak dari jumlah lubang pembawa maka semikonduktor inidikenal dengan semikonduktor tipe-n, sebaliknya bila lubang pembawa lebih banyak dari elektron pembawa disebut dengan tipe-p. Dalam smikonduktor yangterdoping, konsentrasi pembawa tidak sama, dan bahan seperti ini dikatakan sebagai semi-konduktor ekstrinsik.

2. p-n JUCTION

Banyak piranti elektronika terdiri atas juction (penyambungan) antara bahan padat baik yang sejenis maupun bahan yang tidak sama, seperti kombinasi bahan logam dengan bahan logam, bahan logan dengan bahan semikonduktor, bahan semikonduktor dengan bahan semikonduktor yang lain. Dari kombinasi bahan- bahan ini dapat dikategorikan dalam beberapa jenis junction, yakni :

a. homojunction

yaitu suatu junction yang dibentuk dari varian tipe-p dan tipe-n bahan semikonduktor yang sama jenisnya, contohnya junction pada pembentukan komponen elektronika seperti diode yang dibuat dari bahan semikonduktor silikon tipe-n dan tipe-p.

b. heterojunction

Yaitu junction yang terbentuk dari bahan semikonduktor yang berbeda jenisnya, contohnya junction antara bahan semikonduktor GaAs dan GaAIAs pada pembentukan laser diode, atau pembuatan LED sebagai sumber cahaya dalam sistem opto-elektronika.

c.  junction logam-semikonduktor

jenis ini merupakan junction antara bahan semikonduktor khususnya tipe-n yang dikontakkan dengan logam yang mempunyai fungsi kerja yang lebih tinggi, contohnya logam emas yang didoping dengan antimoni (dengan presentasi yang kecil/sedikit) dipadukan dengan bahan semikonduktor silikon tipe-n sehingga membentuk lapisan n pada permukaan semikonduktor. Terbentuknya lapisan n ini akan menambah sifat kontak ohmik yang lebih baik pada bahan semikonduktor ini.

 3. p-n Junction Dalam Kesetimbangan

p-n junction semikonduktor dibuat dengan menyambungkan dua buah bahan semikon-duktor tipe-n dan tipe- p. Setelah kedua bahan semikonduktor di-junction, maka lebih besarnya konsentrasi ketidakmurnian dan rapat pembawa pada daerah tipe-p lebih besar dibanding pada daerah tipe-n seperti ditunjukkan Gambar

Proses doping menyebabkan energi Fermi pada daerah tipe-p berada antara energi pita valensi dan pita konduksi dengan posisi lebih dekat ke pita valenai, sedangkan untuk semikonduktor ekstrinsik tipe-n dengan jumlah elektron lebih banyak energi Ferminya lebih tinggi dibandig pada tipe-p dan berada disekitar pita konduksi, seperti ditunjukkan Gambar. Setelah kedua tipe semikonduktor ekstrinsik dijunction, kedua energi Fermi masing-masing tipe-p dan tipe-n sama besarnya . Jumlah lubang dalam tipe-p lebih banyak dari tepi-n ( karena proses pembentuk semikonduktor ektrinsik/terdoping, sehingga terjadi difusi lubang dari daerah tipe-p ke daerah tipe-n, dan sebaliknya elektron akan berdifusi dari daerah tipe-n kedaerah tipe-p. Keadaan ini terjadi disekitar junction kedua bahan semikonduktor, daerah ini dikenal dengan daerah deplesi. Adanya proses difusi pada daerah junction menimbulkan medan listrik induksi atau potensial kontak / potensial difusi  diantara dua daerah dan pita energi tipe- p bergeser relatif terhadap tipe-n sebesar e

 Potensial kontak terjadi pada daerah transisi/deplesi. Besarnya  potensial kontak tergantung pada temperatur dan tingkat doping. Hubungan potensial kontak dengan tingkat energi pita konduksi dinyatakan dengan persamaan

4. p-n junction di bias maju

 Pada sistem p-n junction dalam kesetimbangan, bila kedua sisi dihubungkan dengan sumber tegangan luar maka akan timbul aliran arus dalam sistem. Kondisi ini akan terjadi bila daerah tipe-p dihubungkan dngan terminal positif sumber tegangan dan sebaliknya daerah tipe-n dihubungkan dengan terminal negatif. Susunan demikian ini disebut

 

dengan p-n junction dibias maju,. Daerah deplesi merupakan daerah yang sangat sensitif dibanding daerah lain, sehingga tegangan luar V akan menurunkan potensial kontak di daerah deplesi (e( –V)), seperti ditunjukkan Gambar . Akibatnya semakin memperkecil potensial barrier, dan memperbesar kemungkinan pembawa mayoritas untuk melampaui potensial barrier dan menghasilkan arus difusi yang lebih besar dibanding arus hanyut (drift current) yang ada dalam sistem.

5. p-n junction dibias balik

Bentuk pemberian bias yang lain pada p-n junction adalah bias balik, yakni dengan menghubungkan daerah tipe-p dengan erminal negatif sumber tegangan. Pemberian bias balik mengakibatkan adanya penambahan potensial barrier pada daerah deplesi sehingga mengurangi arus difusi yang terjadi dalam sistem. Aliran arus netto yang terjadi pada p-n junction karena bias balik hanyalah merupakan arus hanyut yang mengalir dari daerah tipe-n ke tipe-p. Tidak ada penambahan arus karena pemberian tegangan.

Dari kedua macam kondisi pemberian beda potensial pda p-n junction, dapat diperoleh grafik karakteristik arus-tegangan. Pada posisi sistem p-n junction dibias maju, arus yang terjadi bertambah menjadi eksponensial terhadap tegangan antara kedua daerah, sedangkan pada bias balik timbul arus yang mencapai titik jenuh pada saat sama dengan  kali luas penampang junction.